鄭士田

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710054； 2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，西安 710077)

0 引言

隨著我國東部華北型煤田冀中能源峰峰礦區(qū)、淮北、皖北等礦區(qū)采掘活動向深部延拓，受采掘擾動及深部導水構造探查不準的影響，礦井深部采區(qū)突水危險性顯著增加[1-2]。近30 a來，受底板灰?guī)r高壓巖溶水威脅的華北型煤田下組煤開采期間，陷落柱、構造集中破碎帶等強徑流導水構造造成的災難性突水事故還時有發(fā)生[3]，常造成災難性的淹井事故。如開灤范各莊、皖北任樓礦、徐州張集、烏海駱駝山、峰峰梧桐莊、黃沙、淮北桃園等礦均發(fā)生過深大斷裂、巖溶陷落柱誘發(fā)突水淹井的重大事故[4-8]。

近年來，陜煤韓城桑樹坪煤礦采用井下水平井對奧灰含水層頂面進行加固治理，淮北礦區(qū)均采用井下常規(guī)鉆孔注漿治理下伏石炭系太原組三灰含水層[9-10]，冀中能源峰峰集團黃沙礦、九龍礦、梧桐莊礦則采取地面水平井對下伏奧灰含水層進行水害治理[11-12]，這些水害治理手段各具特色，實踐證明無法根治災變突水，實現區(qū)域超前治理。

綜上，現有的預報理論、傳統(tǒng)探查和注漿預治理技術[13-19]已不能很好適應東部礦井深部水平、構造復雜工作面下組煤開采底板灰?guī)r水的防治，亟待研究新的水害治理技術和實施方法。

1 水害特征及常規(guī)治理方法

1.1 水害特征概述

據初步統(tǒng)計僅安徽、山東、河北等地，受底板灰?guī)r水威脅的煤炭儲量高達149.79億t，占國內煤炭總儲量的39%。華北型煤田深采煤層地層結構及水害模式見下圖1。

圖1 華北型煤田下組煤典型地層結構及水害模式示意Figure 1 A schematic diagram of North China typed coalfieldlower coal group typical stratigraphic configuration andwater hazard model

在防治水方面，東部礦區(qū)乃至華北礦區(qū)深采煤層存在的共同技術難題主要表現為：

1)充水水源。巖溶發(fā)育及富水性極不均勻，目前的勘探手段及其投入的勘探工程量，難以徹底查明。

2)突水通道。導水構造、特別是隱伏垂向導水構造空間分布極其復雜，目前采前的探查準確率還很低，總體只有約30%。

3)突水強度。在采掘擾動、底板高水壓、高地應力等影響下，裂隙導通深大斷裂、隱伏導水陷落柱，底板隔水層厚度小于突水系數的要求，往往誘發(fā)底板灰?guī)r災變突水，突水強度大。

1.2 常規(guī)治理方法

在淺層低水壓區(qū)，以往采用“自然帶壓開采”“疏水降壓、帶壓開采”“井下局部注漿、抗壓開采”“井下注漿改造、抗壓開采”等水害治理技術，可以實現安全回采。以淮北礦區(qū)為例，隨著朱莊礦進入深部三水平，首采面Ⅲ631和Ⅲ6213工作面開采多次突水停產、桃園礦二水平1035工作面發(fā)生特大隱伏陷落柱突水淹井事故，說明目前的“井下工作面底板全面注漿改造抗壓開采”水害治理技術，已走到了盡頭。究其原因有以下兩點：

1)深部地應力高、水壓大，井下工作面順槽內增大注漿壓力已難以奏效，全面注漿改造底板的深度已到極限平衡值。

2)井下注漿孔總體近似垂直底板，對豎向隱伏導水構造(陷落柱、破碎帶)查治效果極其有限。

生產實踐證明，常規(guī)治理方法存在鉆探控制程度差、盲目性大、施工困難、存在安全風險、注漿控制程度低、效果差等諸多弊端?，F有的治理技術已無法有效地進行深部高水壓、隱伏垂向導水構造發(fā)育類灰?guī)r含水系統(tǒng)的水害治理。

2 地面順層孔探注成套技術

2.1 技術概述

地面順層孔探注成套技術是地面定向水平井鉆探技術實現“精準探查”和地面注漿控制工藝實現“高效治理”相結合的“探注協同治理”技術。該技術基于水害及治理現狀，綜合考慮地質及水文地質條件、突水機理、探注手段等因素，形成成套技術工藝，達到根治災變突水，實現底板水害區(qū)域超前治理的目的。

1)精準探查。借鑒石油領域的地面定向水平井鉆探技術，鉆孔在工作面底板目的層呈“扇骨狀”布置，揭露各類構造、巖溶空隙及陷落柱。對治理區(qū)各類深大斷裂、隱伏導水陷落柱實現全覆蓋、無遺漏的精準探查。

2)高效治理。通過地面注漿站進行高壓(靜水壓力3～4倍)、多種漿液材料配比、不同濃度選取、大流量下行式劈裂、連續(xù)或間歇“梯度增壓控制”灌注工藝，有效封堵區(qū)域內存在的隱伏垂向導水構造體和底板各含水層的補給通道。

2.2 關鍵技術

地面順層孔探注成套工藝包括目的層選取、鉆孔展布方向和孔間距參數選取、注漿參數及工藝選取等關鍵技術。

2.2.1 目的層選取

選取合理的目的層是該技術的關鍵環(huán)節(jié)，目的層需遵循以下4個原則。

1)突水系數要求。距離煤層底板間距合適，治理后滿足突水系數要求；

2)地層可注性。地層具有較好的可注性，有益于漿液擴散在該層形成相對完整、隔水的“阻水塞”，同時避免浪費；

3)水力聯系。與井巷系統(tǒng)和奧灰之間的水力聯系不可太密切，防止?jié){液大量擴散至奧灰或井巷系統(tǒng)，造成浪費，并影響治理效果；

4)厚度。地層厚度適中，滿足注漿上下擴散距離及地面定向水平井鉆進的技術要求。

2.2.2 軌跡展布及孔間距

1)軌跡展布。巖體的滲透性、可注漿性呈現明顯各向異性，平面上注漿鉆孔跡線優(yōu)勢方位應盡可能與區(qū)域最大滲透性方向垂直，見圖2。

圖2 鉆孔軌跡展布影響因素分析Figure 2 Impacting factor analysis of boreholetrajectory distribution

2)孔間距標定。通過現場地面、井下鉆探、物探等手段檢驗，并獲取相關參數，采用數值模擬的方法計算得出不同壓力狀態(tài)下漿液在不同巖體內的擴散距離(表1)。

表1 不同壓力狀態(tài)下不同巖體漿液擴散距離

表1中顯示，弱透水巖體10MPa下，漿液擴散距離為50m，完整巖體15MPa下，漿液擴散距離為55m。為確保目的層構造、巖溶空隙的全面充填封堵，分支孔間距不大于2倍擴散半徑，不小于單孔注漿擴散半徑。因此，孔間距應在50～110m為宜。

2.2.3 注漿控制工藝

為保證注漿效果，采用梯度增壓注漿控制技術，共分為無壓填充、微壓充填、升壓加固和高壓劈裂四個梯度進行注漿控制，如圖3所示。

圖3 梯度增壓注漿控制工藝壓力與注漿量歷時曲線Figure 3 Gradient pressurized grouting controlling technologypressure and grouting amount duration curve

3 工程應用分析

淮北礦區(qū)朱莊煤礦Ⅲ63采區(qū)首采工作面Ⅲ631工作面采用傳統(tǒng)常規(guī)井下和地面治理方法，工作面推采過程中仍然反復突水；Ⅲ6213工作面常規(guī)井下治理后，仍然發(fā)生陷落柱或斷層突水淹面事故。由此可見，傳統(tǒng)常規(guī)手段無法根治底板高壓灰?guī)r災變突水，實現區(qū)域超前治理，消除水害隱患。

Ⅲ63采區(qū)左翼與右翼地層結構和水害特征基本相同，未完成巷道掘進，未進行傳統(tǒng)的井下放水試驗、預注漿等防治水工作，此次應用地面順層孔探注成套技術，根治了災變突水，實現了區(qū)域超前治理。

3.1 采區(qū)概況

Ⅲ63采區(qū)位于井田東南部，北以-420m等高線與Ⅲ62采區(qū)、Ⅲ61采區(qū)為界，東翼與土型北煤礦、土型煤礦相鄰，南部與楊莊礦毗鄰，西至Ⅲ64采區(qū)邊界。下組6煤層，厚度約2.5m，可采儲量約為446.4萬t。采區(qū)位于朱暗樓向斜和戴莊背斜處，受地質應力較為集中，造成褶曲、斷層均較發(fā)育，地層走向變化大，呈0°～360°，傾角為6°～34°。6煤發(fā)現斷層30條，所發(fā)現的斷層均為正斷層，其中落差5～10m斷層3條，小于5m的斷層27條。總體上斷層走向的方向性不強，沒有明顯的規(guī)律性。

6煤層開采主要受底板太原組灰?guī)r巖溶水含水組和奧陶系灰?guī)r巖溶含水層水害威脅。其中太原組灰?guī)r巖溶水含水組以薄層灰?guī)r為主，灰?guī)r共12層，累計厚度約69m，以溶洞為主，溶蝕裂隙次之，富水性較強。奧陶系灰?guī)r巖溶含水組以灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育，裂隙發(fā)育程度受構造控制，富水性亦很強。本區(qū)太灰與奧灰含水層水力聯系較密切，兩者之間有互補關系。6煤底板以下56～63m為太灰?guī)r溶含水組，井下探查中鉆孔涌水量最大達400m3/h，一般為100m3/h左右。

3.2 地面順層孔探注應用

1)目的層選取。底板太原組三灰距6煤底板平均間距74m，經計算滿足治理后的突水系數要求；具有較好的可注性，巖溶發(fā)育較差，與奧灰之間存在水力聯系但較差，具備形成有效“阻水塞”的條件且不會造成漿液大量浪費；厚度8m，滿足地面順層鉆孔技術精度要求。綜上，將三灰作為地面順層治理的目的層。

2)軌跡展布及孔間距。鉆孔水平段方位的優(yōu)化需綜合考慮斷層走向、褶皺軸跡分布、注漿目的層傾向、地應力最大主應力方向以及方便現場施工等因素。注漿鉆孔布設間距以最大不超過2倍的漿液擴散半徑為原則。

鉆孔布設主要依據以下原則：

①主優(yōu)勢方位以平面上與斷層、褶皺軸部跡線橫向大角度相交為主，達到單孔盡可能多的溝通垂向斷層和褶皺軸部裂隙。

②次優(yōu)勢方向為盡量小角度與注漿目的層(三灰)傾向相交，使得順層近水平鉆孔與更多的層間結構面接觸。

③為了注漿最后階段的全孔高壓壓注能夠有良好的劈裂范圍，與較多的天然裂隙導通，順層鉆孔近水平段方位避免與最大水平主應力方向平行。

④單個注漿鉆孔為“扇骨狀”布局，鉆孔應盡量布滿整個治理區(qū)域，宜超出加固范圍30m以上。

根據以上注漿鉆孔軌跡布置原則，對Ⅲ63采區(qū)的地面定向順層注漿鉆孔軌跡分區(qū)優(yōu)化(圖4)，分支孔最大孔間距不大于80m。

3)注漿控制工藝。采用“梯度增壓注漿控制工藝”對探查到的各類構造裂隙、巖溶空隙尤其是大型隱伏垂向導水通道，進行高效的注漿治理。本次選取注漿終壓為10～12MPa，通過分析可以得到，隨著注漿壓力的變化，可以分為四個階段。

①無壓階段。漿液主要對含水層的天然裂隙進行充填加固，而該階段的注漿量占到總注漿量的23%。

②微壓階段。0～4MPa，隨著壓力的不斷提升，漿液的擴散距離逐漸增大，天然的原始裂隙隨著漿液的填充已經變得十分微弱，此階段的注漿量占到總注漿量的48%。

圖4 朱莊煤礦Ⅲ63采區(qū)順層注漿鉆孔平面布置Figure 4 Bedding grouting boreholes layout plan in Zhuzhuangcoalmine winning district III63

③升壓穩(wěn)壓階段。4～8MPa，隨著壓力的持續(xù)上升，含水層薄弱部位的應力與抗拉強度被克服，沿著垂直于主應力平面上發(fā)生劈裂形成充填裂縫，隨著漿液的填充，含水層被進一步加固，此階段的注漿量占到總注漿量的24%。

④高壓劈裂階段。8～12MPa，原始裂隙以及劈裂形成的裂隙被漿液充填到比較充分的程度，隨著壓力的上升，充填變得密實，此階段的注漿量占到總注漿量的5%。

4 治理效果對比

采用地面順層孔探注成套技術對朱莊煤礦Ⅲ63采區(qū)左翼6煤底板薄層灰?guī)r進行治理后，已安全回采5個工作面，底板均未見涌水，治理效果非常顯著。實現了區(qū)域超前治理，根治了底板災變水害。

地面順層探注成套技術在朱莊煤礦Ⅲ63采區(qū)左翼的應用根治了底板災變水害，與朱莊煤礦Ⅲ62采區(qū)和Ⅲ63采區(qū)右翼首采工作面常規(guī)治理方法相比，從技術難度、治理效果、施工安全性等方面獲得了提升，具體見表2。

5 結論

1)地面順層孔探注成套工藝中鉆孔在疑似匯水、導水通道外側進入目的層，沿目的層順層鉆進，直接揭露涌水通道，明確通道特征，有利于地面采取合理的注漿措施。地面注漿根據鉆孔揭露目的層情況，采取梯度增壓的高效控制工藝，可以達到治理速度快，治理費用低，治理效果好的目的。

2)本方法無論是鉆探還是注漿均要比井下治理更加安全可靠。同時不受灰?guī)r水壓高等不利因素的影響。

3)本方法同時兼顧“預防”和“治理”，實現了由采前被動治理到掘前主動治理、由局部治理到區(qū)域治理、由井下治理到地面治理、由單一水害治理到災害防治與水資源保護并重的轉變，根治了災害型奧灰突水，經濟社會效益顯著。

表2 地面順層探注成套技術與井下常規(guī)治理方法對照

4)本方法對于具有類似水害威脅的同類礦井防治水工作借鑒作用重大，對煤礦頂底板水害超前區(qū)域治理的技術手段與理論水平的發(fā)展與革新具有重大意義。